Альтернативные источники энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Отбросив в сторону тепловую энергетику, от которой необходимо полностью отказаться, и атомную энергетику, небольшую долю которой (особенно на первое время) все же придется оставить в мировом энергобалансе, обратимся теперь к альтернативной энергетике, основанной на использовании возобновляемых источников энергии. К ним относятся уже существующие источники энергии, использующие энергию Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, внутреннее тепло планеты. Рассмотрим теперь их подробнее и выясним, возможно ли, и насколько эффективно их применение.

Такие природные и поистине бесценные источники, как солнечная радиация и энергия ветра, были всегда рядом с человеком, их старались использовать, приручить стихию. С незапамятных времен пространственную структуру своего жилья человек организовывал с учетом ориентации на солнце. Фактически то, что мы сейчас называем энергосберегающими строительными приемами, есть не что иное, как попытка грамотного использования и сохранения тепла, дающего нашим светилом, в зданиях.

Еще в начале прошлого века человек с успехом пользовался этими явлениями. На рубеже XIX и XX веков делались попытки создания различных технических устройств обуздания и использования энергии солнца и ветра, его второй производной.

Но за последние 100 лет, несмотря на интенсивное развитие технологии, эти два энергоносителя, так верно служившие человеку, были незаслуженно забыты. Результаты такой забывчивости не замедлили сказаться: нам грозит энергетический кризис, не за горами экологическая катастрофа. И только в два последних десятилетия интерес к использованию энергии солнца и ветра опять стал расти.

Более чем в 70 странах мира разработаны и действуют гелиоэнергетические программы. Так в германии реализован проект «тысяча крыш», где 2250 домов было оборудовано фотогальваническими установками.

Конечно, на сегодняшний день без дублирующих систем энергоснабжения зданий, использующих невозобновляемые ресурсы, не обойтись, но даже 20%-ное замещение их дает несомненный положительный эффект. Что дают эти 20%? Это прежде всего, снижение на 1/5 использования количества невозобновляемых энергоносителей, используемых для эксплуатации зданий, снижение риска надвигающейся экологической катастрофы и, что самое важное для хозяина, снижение затрат на содержание своего дома.

Возможность полного, либо частичного замещения невозобновляемых энергоносителей для энергоснабжения зданий позволяет решить многие проблемы. Просто необходимо обеспечить жилые дома экологичными системами отопления (и летнего охлаждения), горячего водоснабжения. Да, конечно, стоимость оборудования и монтажа гелиосистем на сегодняшний день не самое дешевое и не самое простое решение. Но с учетом того, что солнечная энергия ничего не стоит, а стоимость на невозобновляемые энергоносители постоянно растет, оборудование окупится за 2-3 года и будет служить до полного износа.

Различные строительные приемы использования возобновляемых источников энергии, как в реконструируемых зданиях, так и при новом строительстве дают такую возможность. Надо только правильно их использовать.

В 60-70-х гг. в нашей стране предпринимались шаги по использованию нетрадиционных видов энергии. В это время появились также фотоэлектрические установки автономного электроснабжения, прекрасно зарекомендовавшие себя в космосе. К концу 80-х годов в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения с общей площадью около 150 тыс. мІ, а производство солнечных коллекторов доходило до 80 тыс. мІ в год. Экономические осложнения, возникшие в 90-е годы, затормозили развитие использования нетрадиционных видов энергии в нашей стране. Однако сегодня и в нашей стране НВИЭ получают все большее распространение.

В области ветроэнергетики созданы образцы отечественных ВЭУ мощностью 250 и 1000 кВт, находящиеся в опытной эксплуатации, используется зарубежный опыт в этой области. В России выпускаются солнечные тепловые коллекторы, фотоэлектрические преобразователи и модули на их основе, ветроэнергетические установки.

Солнечная энергия используется в основном для производства низкопотенциального тепла, коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Мировая суммарная мощность фотоэлектрических установок достигла 500 МВт.

энергоноситель альтернативный экологичность



1. Основные причины перехода к альтернативным источникам энергии

Глобально-экологическая: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

Политическая: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;

Экономическая: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

Социальная: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

Эволюционно-историческая: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

1.1 Энергия ветра

Использование энергии ветра имеет многовековую историю. Идея преобразования энергии ветра в электрическую возникла в конце 19в.

В СССР первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 100 кВт была построена в 1931 г. у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупнейшая ВЭС в мире. Среднегодовая выработка станции составляла 270 МВт. час. В 1942 г. станция была разрушена.

В период энергетического кризиса 70-х гг. интерес к использованию энергии возрос. Началась разработка ВЭС как для прибрежной зоны, так и для открытого океана. Океанские ВЭС способны вырабатывать энергии больше, чем расположенные на суше, поскольку ветры над океаном более сильные и постоянные.

Строительство ВЭС малой мощности для энергоснабжения приморских поселков, маяков, опреснителей морской воды считается выгодным при среднегодовой скорости ветра 3,5-4 м/с.. Возведение ВЭС большой мощности для передачи электроэнергии в энергосистему страны оправдано там, где среднегодовая скорость ветра превышает 5,5-б м/с.. Так, в Дании - одной из ведущих стран мира в области ветроэнергетики действует уже около 2500 ветровых установок общей мощностью 200 МВт.

На тихоокеанском побережье США в Калифорнии, где скорость ветра 13 м/с и больше наблюдается в продолжение более 5 тыс., ч в году, работает уже несколько тысяч ветровых установок большой мощности. ВЭС различной мощности действуют в Норвегии, Нидерландах, Швеции, Италии, Китае, России и других странах.

В связи с непостоянством ветра по скорости и направлению большое внимание уделяется созданию ветроустановок, работающих с другими источниками энергии. Энергию крупных океанских ВЭС предполагается использовать при производстве водорода из океанской воды или при добыче полезных ископаемых со дна океана.

Еще в конце 19 в. ветряной электродвигатель использовался Ф.Нансеном на судне "Фрам" для обеспечения участников полярной экспедиции светом и теплом во время дрейфа во льдах.

В Дании на полуострове Ютландия в бухте Эбельтофт с 1985 г. действуют шестнадцать ВЭС мощностью 55 кВт каждая и одна ВЭС мощностью 100 кВт. Ежегодно они вырабатывают 2800-3000 МВт. ч.

Существует проект прибрежной электростанции, использующей энергию ветра и прибоя одновременно. Главная проблема ветряных электростанций - непостоянство скорости ветра. Место расположения считается удачным, если удается работать в среднем около трети года. Таких мест на Земле не так много, и большинство уже занято. Кроме того, скорость ветра увеличивается с высотой, поэтому использование более высоких конструкций перспективно.

Перемещение воздушных масс вокруг планеты - ветер - возникает из-за неравномерного нагревания поверхности Земли солнцем. Например, океаны, благодаря низкому альбедо - способности отражать солнечные лучи, поглощают больше тепла, чем суша, и, благодаря высокой теплоемкости воды, дольше его удерживают. В таких местах «перегретый» воздух становится легче и поднимается, создавая зону пониженного давления. Для поддержания равновесия, на его место стремятся воздушные массы из зон высокого давления - так и возникает ветер.

На первый взгляд, может показаться, что ветра движутся по Земле бессистемно, и их перемещение невозможно спрогнозировать. Тем не менее, на планете существуют могучие и почти постоянные ветра - пассаты, движущиеся от полюсов Земли, где солнечная активность невысокая, в сторону жарких экваториальных тропиков. В прибрежных зонах, пассаты превращаются в муссоны - сезонные ветра, дующие зимой в сторону океана, а летом, наоборот, на сушу. Свои закономерности возникновения ветров есть и в горных районах, и в пустынях, и на ледниковых полях.

Потенциальные возможности

Одна из самых важных характеристик ветра - это его сила. Ее чаще всего выражают в баллах по шкале Бофорта - системе, разработанной для мореплавателей еще в 1806 году английским адмиралом Бофортом. Она была основана на визуальном описании воздействия ветров на земные предметы и водную поверхность, а позже, в 1926 году, дополнена точными характеристиками - соответствующими диапазонами скоростей ветров. Так, самый слабый ветер, до 1,5 м/с, оценивается в 1 балл, а ураган со скоростью более 32 м/с - в 12 баллов.

Максимальная сила ветра, зарегистрированная когда-либо метеорологическими станциями, зафиксирована во время торнадо в Оклахоме в 1999 году и составляет 142 м/с. Конечно, такая экстремальная скорость - редкое явление для поверхности Земли. Среднегодовая скорость ветра на тихоокеанском побережье США в Калифорнии составляет около 13 м/с, на Балтийском побережье Германии - 6-7,5 м/с, в Арктике - 8 12 м/с.

Можно выделить некоторые закономерности изменения силы ветра во времени и пространстве. Во-первых, существует сезонная зависимость - зимой ветра дуют с большей силой, чем летом. Так же сила ветра зависит от высоты - возле самой земли, за счет трения, скорость ветра снижается, потому чем выше - тем ветра мощнее. Так, на высоте 7-14 км, ветер в 10-15 раз сильнее, чем в приземном слое.

Среднегодовая скорость ветра определяет ветровой потенциал территории - главный показатель теоретической эффективности ветровой энергоустановки. Дело в том, что вырабатывать энергию из ветра становится выгодно только при скорости воздушного потока, большей 5 м/с, и территории, с меньшими показателями среднегодовой скорости являются невыгодными для развития промышленной ветроэнергетики.

Технологии

Для преобразования энергии ветра в электричество разработаны множество моделей ветероэнергетических установок, или, как их еще называют - ветрогенераторов. В промышленных масштабах, как правило, несколько ветроэнергетических установок устанавливается рядом и объединяется в ветроэнергетическую станцию.

Суть действия ветровой энергоустановки заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения ветроколеса, а из нее, с помощью электрогенератора, - в электричество. Энергия ветра находится в кубической зависимости от величины его скорости, то есть при увеличении скорости ветра в 2 раза, энергия увеличивается в 8 раз.

В среднем, современные ветровые установки способны использовать энергию ветра силой от 3-4 м/с до 25 м/с. Хотя уже есть и отдельные разработки, рассчитанные на шквалы ветра до 70-80 м/с.

По мощности, ветрогенераторы делятся на установки малой мощности - до 100 кВт, средней мощности - от 100 до 500 кВт и большой мощности - от 0,5-4 МВт.

Ветровой генератор может быть автономным - накапливать полученную энергию в специальном аккумуляторе и обеспечивать потребности отдельного дома или хозяйства, и сетевым - подключенным к общей электрической сети. Во втором случае, хозяин установки обычно получает деньги за поставленную в сеть энергию, а потребности дома обеспечиваются электричеством из общей сети. Мощность такой ветровой энергоустановки должна быть не меньше50 кВт.

По принципу строения ветроколеса, все ветрогенераторы делятся на крыльчатые - с вертикальной осью вращения, и карусельные - с горизонтальной осью вращения.

Крыльчатые ветрогенераторы - самые распространенные на сегодняшний день. Внешне они выглядят как ветряные мельницы. Чем меньше лопастей у такой конструкции - тем большую скорость вращения она может развивать. Потому, такие установки имеют небольшое количеством лопастей - как правило, три, но иногда и две, и даже одну.

Крыльчатые ветрогенераторы эффективнее других используют энергию ветра и обладают высокой скоростью вращения. Чем длиннее лопасти у ветроустановки, тем больший объем воздушных масс она захватывает, тем больше энергии генерирует. Но, это увеличение не езгранично - ветряк с чрезмерно длинными «крыльями» будет плохо улавливать ветер или может просто переломиться.

Важным условием работы крыльчатого ветрогенератора является то, что его лопасти должны располагаться строго перпендикулярно направлению воздушного потока. Для постоянного выполнения этого условия используется хвостовой стабилизатор, а в больших установках - специальные конструкции, оснащенные мотором.

Карусельные ветрогенераторы представляют собой горизонтальные колеса, Они имеют ряд бесспорных преимуществ - их работа не зависит от направления ветра, они могут использовать энергию слабых ветров до 5 м/с и могут иметь теоретически неограниченную длину лопастей. Но, коэффициент использования энергии ветра у карусельных ветрогенераторов намного ниже, чем у крыльчатых, потому их производство не так велико.

Особенно перспективно развитие строительства оффшорных ветряных электростанций - ветрогенераторов, установленных в прибрежной зоне или даже открытом море. Выгода от таких электростанций заключается в том, что в море сила ветра значительно выше, чем на берегу. Так же, для наводных ветряных мельниц не нужен отвод больших территорий, как в случае с обычными ветряными станциями.

Ситуация в мире

Ветроэнергетика развивается небывалыми темпами - ее мощности увеличиваются каждые три года вдвое. По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA), суммарные мощности ветровой энергетики в 2009 году составили 159 213 МВт, что соответствует 2% от всей электроэнергии, выработанной в мире. Этого количества электричества достаточно, что бы обеспечить энергетические потребности целой Италии.

Ветроэнергетические мощности представлены в 82 странах мира. Лидерами по производству ветровой электроэнергии являются США, Китай, Германия, Испания, Индия. На долю этих стран приходится 72,9 % производства всей произведенной с помощью ветра энергии.

Ветроэнергетика занимает ощутимое место в энергетике целого ряда стран - в Дании она составляет 20%, Португалии - 15%, Испании 14%, Германии -9% от общего количества произведенной энергии. А вот лидером по темпам развития этой отрасли является Китай - четыре года подряд мощности ветроэнергетики в этой стране увеличиваются вдвое.

Самая мощная ветряная электростанция находится в Roscoe Wind Farm, Техас США. Она объединяет 627 ветроустановок, которые вместе производят электроэнергию в 781,5 МВт. Оффшорные ветровые станции работают в 12 странах мира, преимущественно в Европе: в Германии, Швеции, Нидерландах. Самая большая наводная ветровая станция Horns Rev 2 была построена в 2009 году в Северном море у побережья Дании. Она включает в себя девяноста одну турбину, общей мощностью в 209,3 МВт.

По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA), в 2010 прогнозируется увеличение мощностей ветровой энергетики на 44 000 МВт, а к 2020 - более чем в 12 раз! Многие страны ставят конкретные цели по увеличению мощностей: Канада рассчитывает к 2015 году производить 10 %, а Германия к 2020 году 20% своей электроэнергии из энергии ветра.

Ветровая энергия является относительно экологически чистой: проблема шума при работе и помехи в телевизионных каналах, создаваемые электростатическими зарядами на стальных лопастях, могут быть легко решены. Сложнее предотвращать гибель птиц на лопастях и устранить восприятие некоторыми людьми ветроустановок как чужеродных элементов пейзажа.

Ветроэнергетические установки

Ветроэнергетическая установка EuroWind 2 кВт обслуживает небольшие коммерческие и промышленные объекты наравне с бытовыми: небольшой или средний дом, небольшие магазины, кафе, кемпинги. Установить двухкиловаттную ветроэнергетическую установку можно даже самостоятельно без помощи. Эта ветроэнергетическая установка легко комбинируется с другими генераторами: дизельными, бензиновыми и остальными.

Ветроэнергетическая установка EuroWind 5 кВт

Спектр применения ветроэнергетических установок данной мощности очень широк, он затрагивает почти все сферы жизни и бизнеса - от строительства до туризма. Загородный коттедж полностью обеспечен электроэнергией с ветровой электростанцией мощностью 5000 Ватт. Ветроэнергетическая установка обслуживает большой или средний по размерам дом с прилегающей территорией.

Ветроэнергетическая установка EuroWind 10 кВт

Для обеспечения большого дома и всей его прилегающей территорией или нескольких небольших домов достаточно одной такой ветроэнергетической установки. Применение ветроэнергетической установки мощностью 10 киловатт может использоваться с фермами, небольшими отелями, ресторанами, строительными площадками, средними и большими магазинами.

Ветродизельные энергетические установки могут быть объединены в локальные сети, а также сопряжены с солнечными батареями. Ветродизельные агрегаты, в зависимости от ветрового потенциала местности, позволяют экономить 50-70% топлива, потребляемого дизель-генераторами сравнимой мощности.

Основные конструктивные решения защищены патентами на изобретение.

Приемущества ветрогенераторов (ВЭУ)

1. выработка электроэнергии ветрогенераторами на 20 -30% больше по сравнению с лучшими мировыми аналогами (коэффициент использования ветра - 51%);

2. простота в обслуживании ветрогенераторов, полная автоматизация ветроэнергетических установок, большой срок службы ветрогенераторов, высокая надежность и безопасность ветроэнергетическмх установок;

3. малый вес ветрогенераторов, легкость монтажа и демонтажа ветроэнергетических установок, транспортировка ветрогенераторов любыми видами транспорта.

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ) и атомной энергии, относящихся к невозобновляемым источникам энергии. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии - солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков, относящихся к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии. Одним из наиболее используемых нетрадиционных источников энергии является ветровая энергия. Потенциальные возможности ветровой энергии в год составляют 1% от годовой солнечной энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра составляет примерно 82 триллиона киловатт-часов в год. Если даже использовать хотя бы 10% (что вполне реально и экономически оправдано) этой энергии, то это примерно равно количеству электроэнергии вырабатываемой на всем Земном шаре.

К стратегическим целям использования ветровых источников энергии являются:

1. сокращение потребления невозобновляемых ресурсов

2. снижение экологической нагрузки

3. увеличение числа децентрализованных потребителей

4. обеспечение децентрализованных потребителей

5. снижение расходов на дальнепривозное и сезонное топливо

Необходимость развития ветровой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:

1. обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения

2. обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений

3. снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения.

Известно, что основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом. В северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/сек. Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с.

Для преобразования ветрового потока в электрическую энергию используют ветродвигатели в соединении с электрогенератором - ветроэнергетические установки или ветрогенераторы. Принцип действия всех ветрогенераторов один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу ветрогенератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу или электрогенератору. Чем больше диаметр ветроколеса ветрогенератора, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает ветрогенератор. Существующие системы ветрогенераторов по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.

Первый класс включает ветрогенераторы, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветрогенераторы называются крыльчатыми.

Ко второму классу относятся системы ветрогенераторов с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме такие ветрогенераторы разбиваются на группы: Жиромилль и Дарье.

К третьему классу относятся ветрогенераторы, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными ветрогенераторами. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветрогенераторов и высокий коэффициент использования ветра по сравнению с ветродвигателями других классов, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицу мощности - основные преимущества ветрогенераторов этого класса.

На земле еще немало мест, куда не дошла электроэнергия по столбам и подземным кабелям. Например, по площади такие места составляют примерно 70% всей территории России, где проживают примерно 30% населения. В таких местах обычно стоят дизельные или бензиновые двигатели и вырабатывают электроэнергию. Эти установки превращают в дым тысячи тонн дизельного топлива или бензина, а вырабатываемая ими электроэнергия получается разы и десятки разы дороже электроэнергии вырабатываемой крупными электростанциями. Большинство таких мест имеют довольно высокий ветровой потенциал, и применение автономных ветрогенераторов совместно с тепловыми двигателями дало бы существенную, достигающую до 90%, экономию углеводородного топлива.

Главным преимуществом автономных ветрогенераторов является возможность вырабатывания электроэнергии вне зависимости от сети. В целом, ветрогенераторы работают подобно дизель-электростанциям, только не сжигают топлива. Разработан ряд автономных ветрогенераторов - 2/5, 20, 30 кВт. Они созданы с использованием инновационных технологий.

Это ветрогенераторы классического типа, у которых есть ряд особенностей. Одно из них - ветроколесо, расположенное за башней ветрогенератора относительно ветра.

ВЭУ SW-2/5 - автономный ветрогенератор, снабжающий качественной электроэнергией различных потребителей, удаленных от линий электропередач.

Данный ветрогенератор, единственный в России имеет сертификат соответствия и предназначен для обеспечения электроэнергией индивидуального дома, коттеджа, геологических экспедиций, охотничьих домиков, кочевий и т.д.

Ветрогенератор марки SW-2/5 может быть дооснащен специализированными опреснительными модулями, адаптированными к изменению мощности при изменении скорости ветра, насосом для перекачки воды, солнечной батареей, дизель-генераторном.

ВЭУ SW-2/5 вырабатывает в год на 20-30% электроэнергии больше по сравнению с аналогичными лучшими мировыми образцами ветрогенераторов. Увеличение количества электроэнергии, вырабатываемой данныйм ветрогенератором, достигается за счет:

1. аэродинамического регулирования скорости вращения ветроколеса изменением угла установки лопастей ветроколеса;

2. эффективной работы ВЭУ SW-2/5 в широком диапазоне скоростей ветра 3 -25м/с;

3. низкой частоты вращения ветроколеса;

4. высокого качества технологического исполнения лопастей оригинальной конструкции;

5. применения "интеллектуального" зарядного устройства, регулирующего зарядный ток аккумуляторов в зависимости от скорости ветра.

ВДЭУ SWD-20 и SWD-30 ветродизельные энергетические установки, предназначенные для обеспечения качественной электроэнергией потребителей, удаленных от энергосистем, электросетей. Выходное напряжение: ~ три фазы 220 В, 50 Гц. Возможен вариант исполнения 120 В, 60 Гц.

ВДЭУ SWD-20 или SWD-30 обеспечивает высокое качество электроэнергии по напряжению и частоте, благодаря применению преобразователей частоты с использованием IGBT- технологии.

ВДЭУ SWD-20 и SWD-30 работают:

- автономно на отдельных потребителей энергии;

- в составе комплекса сетей соизмеримой мощности.

Объединением отдельных ВДЭУ SWD-20 или SWD-30 можно создать энергетические комплексы мощностью до 400 кВт.

ВДЭУ SWD-20 или SWD-30 вырабатывает в год на 20%-30% электроэнергии больше по сравнению с аналогичными лучшими мировыми образцами.

Увеличение объема вырабатываемой электроэнергии достигается за счет:

1. использования ветроколеса большего диаметра;

2. низкой частоты вращения ветроколеса;

3. применения стеклопластиковых лопастей оригинальной конструкции и имеющих специальное покрытие, обеспечивающее высокое аэродинамическое качество;

4. оптимизации геометрической и аэродинамической крутки лопастей, обеспечивающие максимальное использование энергии ветра во всем используемом диапазоне скоростей ветра.

SWD-20 предназначена для регионов с низким ветропотенциалом (среднегодовая скорость ветра от 4м/с до 6м/с) и SWD-30 - предназначена для регионов со средним ветропотенциалом, где среднегодовая скорость ветра выше 5м/с.

1.2 Энергия Солнца

Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказывать от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много солнечной энергии идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. В настоящее время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые тугоплавкие металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

Легко использовать солнце для отопления и горячего водоснабжения. Впрочем, популярная в России «солнечная установка» - бочка с водой на садовых участках - малоэффективна. Хорошие нагреватели состоят из смотрящего на юг плоского наклонного коллектора солнечных лучей и размещенного над ним бака с водой. Коллектор и бак теплоизолируют. КПД этого простого сооружения достигает 40 - 50%, и оно способно летом нагреть воду до 50 - 70 градусов.

В последнее время стали популярны воздушные коллекторы, встроенные в фасады зданий как элемент архитектуры. Оптимальный наклон коллектора примерно равен широте местности. В Европе, к примеру, на вертикальную стенку в год падает солнечной энергии примерно на 30% меньше, чем на поверхность, расположенную под углом в 45 градусов к горизонту. Такой коллектор выполняет двойную роль - нагревает теплоноситель и уменьшает тепловые потери здания.

Когда кремниевые фотоэлементы были очень дороги и использовались только в космосе, много надежд возлагалось солнечные тепловые электростанции.

Сегодня больше внимания уделяется прямому преобразованию солнечной энергии с помощью полупроводниковых фотоэлементов. В основном это плоские кремниевые фотоэлементы, способные преобразовывать как прямой, так рассеянный свет. Их стоимость за последние десять лет снизилась в несколько раз, но цена такой энергии все еще слишком высока.

Ученые пытаются максимально снизить стоимость более простых солнечных элементов. В европейском проекте H - Alpha Solar созданы гибкие солнечные элементы на основе тонкой пленки аморфного кремния на пластине, эффективность которых около семи процентов. В планах - повышение эффективности до 10% и массовое производство рулонов дешевой «солнечной пленки».

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

· Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

· Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:

· паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

· двигатель Стирлинга и т. д.

· гелиотермальная энергетика -- Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

· Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).

· Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество -- запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Достоинства

Общедоступность и неисчерпаемость источника.

Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что

Недостатки

· Зависимость от погоды и времени суток.

· Как следствие необходимость аккумуляции энергии.

· Высокая стоимость конструкции.

· Необходимость постоянной очистки отражающей поверхности от пыли.

· Нагрев атмосферы над электростанцией.

Направления научных исследований

1. Фундаментальные исследования

Из-за теоретических ограничений в преобразовании спектра в полезную энергию (около 30 %) для фотоэлементов первого и второго поколения требуется использование больших площадей земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров (для сравнения, -- гидроэнергетика, при таких же мощностях, выводит из пользования заметно большие участки земли), но строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности и поэтому в основном устанавливаются фотоэлектрические станции мощностью 1 -- 2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки. Фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8--2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота. Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

Поток солнечной энергии, падающий на установленный под оптимальным углом фотоэлемент, зависит от широты, сезона и климата и может различаться в два раза для заселённой части суши (до трёх с учётом пустыни Сахара). Атмосферные явления (облака, туман, пыль и др.) не только изменяют спектр и интенсивность падающего на поверхность Земли солнечного излучения, но и изменяют соотношение между прямым и рассеянным излучениями, что оказывает значительное влияние на некоторые типы солнечных электростанций, например, с концентраторами или на элементах широкого спектра преобразования.

2. Прикладные исследования

Фотоэлектрические преобразователи работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это не достаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции, которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики, которая на сегодняшний день пока недостаточно экономически эффективна. На сегодняшний день эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций.

На сегодняшний день сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В 1990--2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.

Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.

Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение наиболее согласованное с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД.

Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации.

3. Экологические проблемы

При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы (30--50 лет). Применение кадмия, связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов, с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе подложки, на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности CIS и CIGS, достойных конкурентов кремнию. Так, например, в 2005 г. компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.

Типы фотоэлектрических элементов

1. Монокристаллические кремниевые

2. Поликристаллические кремниевые

3. Тонкоплёночные

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов выросла до 16,8 %.

За период с 1999 года по 2006 год поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 21 МВт. Производство фотоэлементов в мире в 2005 году составляло 1656 МВт.

Суммарные мощности фотоэлектрических станций

№	Страна	Суммарные мощности фотоэлектрических станций, МВт. 2009 год
1	Германия	9779
2	Испания	3386
3	Япония	2633
4	США	1650
5	Италия	1186
6	Ю. Корея	520
7	Чехия	465
8	Бельгия	363
9	Китай	305
10	Франция	272
11	Индия	120
12	Весь мир	22893

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2009 году:

First Solar -- 1100,0 МВт

Suntech -- 704,0 МВт

Sharp -- 595,0 МВт

Q-Cells -- 586,0 МВт

Yingli -- 525,3 МВт

JA Solar -- 520,0 МВт

Kyocera -- 400,0 МВт

Trina Solar -- 399,0 МВт

SunPower -- 397,0 МВт

Gintech -- 368,0 МВт

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составила пока только около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии

Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-$0,05 к 2015--2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

На начало 2010 года общая мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта.

Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например: Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200°С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.

Солнечная башня, Калифорния

Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 мІ. В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

Солнечный транспорт

Беспилотный самолёт Helios с фотоэлементами на крыльях

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта. В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши железнодорожных поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

Ещё 20 ноября 1980, Стив Птачек совершил полет на самолёте, питающемся только солнечной энергией. На 2010г. солнечный пилотируемый самолет продержался в воздухе 24 часа. Военный испытывают большой интерес к БЛА на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго - месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

1.3 Тепловая энергия планеты

О высокой температуре земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали и вулканические извержения, и рост температуры при погружении в глубокие шахты. В среднем у поверхности Земли её увеличение составляет 20 градусов на километр.

Тепловая энергия земных недр выделяется с поверхности планеты в виде теплового потока, который измеряется количеством тепла, выделяемого с единицы площади за единицу времени. Измерить тепловой поток Земли с достаточной точностью удалось только во второй половине XX века.

Континентальную земную кору можно представить в виде 15 - километрового слоя гранита, лежащего на слое базальта такой же толщины. Концентрация радиоактивных изотопов, служащих источниками тепла, в гранитах и базальтах хорошо изучена. Это прежде всего радиоактивный калий, уран и торий. Подсчитано, что при их распаде выделяется примерно 130 Дж/(см год). В тоже время средний тепловой поток, который равен 130 - 170 Дж/(см год). Следовательно, он почти полностью определяется тепловыделением в гранитном и базальтовом слоях.

С океанической корой всё обстоит иначе. Она значительно тоньше континентальной, и основу её составляет 5 - 6 -километровый базальтовый слой. Однако когда специалисты измерили тепловой поток на океанах, он оказался примерно таким же, как и на материках.

Сегодня установлено, что основная часть тепла поступает в океаническую кору через литосферную плиту из мантии. Вещество мантии постоянно находится в движении. Неравенство температур различных слоёв в ней приводит к активному перемешиванию вещества: более холодное и, соответственно, более плотное тонет, более горячее всплывает. Это так называемая тепловая конвекция.

Большинство современных исследователей указывают на три возможных источника энергии для поддержания тепловой конвекции в мантии. Во - первых, мантия всё ещё сохраняет большое количество тепла, накопленного в период формирования планеты. Его достаточно, чтобы поверхностный тепловой поток сохранялся на его теперешнем уровне в течение срока, в несколько раз превышающего нынешний возраст Земли. При этом планета должна остывать, но её остывание происходит очень медленно. Во - вторых, определённое количество тепла, по-видимому, поставляется в мантию из ядра. И, наконец, третий источник - это распад радиоактивных элементов (их содержание в мантии в настоящее время трудно оценить).

Тепловые насосы

Одним из самых эффективных способов отопления домов, уже широко распространенных в западной Европе, являются тепловые насосы. Это системы, использующие низкопотенциальную тепловую энергию земной поверхности для обогрева, или наоборот, кондиционирования зданий, частных хозяйств, зимних садов, обеспечения жителей горячей водой.

Принцип работы

Как же отапливать дом с помощью земли, температура которой редко превышает 15 градусов даже летом? Оказывается, это не так удивительно как кажется на первый взгляд. В своей повседневной жизни мы встречаемся с таким способом перераспределения энергии каждый день - открывая и закрывая холодильник. В нем, тепло овощей и фруктов, отправленных на хранение, передается наружу. За счет этого продукты охлаждаются. Но что удивительно - если дотронутся до задней стенки холодильника, то мы почувствуем, что она нагрета до намного более высоких температур, чем те яблоки, которые мы клали в холодильник.

Секрет таится в понимании самого явления тепла. Тепло - это ни что иное как вид энергии, которая возникает за счет постоянного движения атомов и молекул в веществе. Эти механические колебания происходят в большей или меньшей степени во всех без исключения окружающих нас вещах. Потому, тепловой энергией обладает любой объект, температура которого больше абсолютного нуля - - 273°С. Даже «холодные» снег или лед все равно несут в себе огромный запас энергии.

Но тепло может в разной степени «рассеиваться» в веществе. Потому температура - показатель, определяющий количество тепловой энергии в единице массы, в двух объектах несущих одно и то же количество энергии, может значительно отличаться. Но если объект сжать, например, повысив давление, то энергия станет «плотнее» и температура увеличится. В этом и заключается суть трансформации низкопотенциального тепла земли в удобную для отопления жилищ форму - его «концентрируют» путем сложных превращений, повышая температуру до 80-100°С.

Строение установки

Тепловой насос состоит из трех контуров - внешнего, передающего тепло от геотермального источника (грунта или подземной воды), внутреннего, трансформирующего низкопотенциальное тепло земли в тепло, доступное для обогрева хозяйства, и, собственно, системы отопления или водообеспечения дома. Каждая из этих частей представляет собой замкнутую систему труб, по которым непрерывно циркулирует соответствующий теплоноситель.

Большая часть внешнего контура находится на улице, погруженная под землю или на дно водоема. По трубам двигается незамерзающая в зимнее время жидкость, с температурой на несколько градусов ниже, чем в подземном слое. Проходя под землей, она отбирает тепло у грунта и температура жидкости повышается.

Пройдя через подземную часть, труба попадает в специальное устройство - испаритель, который отбирает полученное тепло. Во время этого процесса, температура жидкости снижается до первоначальной, и она направляется в исходную точку - под землю.

Испаритель передает полученное из внешнего контура тепло внутреннему контуру. По его трубам двигается жидкость с низкой температурой кипения. Обычно, в таких системах используют фреон, который закипает и превращается в пар при -2°С. Проходя через испаритель, жидкость превращается в пар, который попадает в следующее устройство - компрессор. В нем происходит сжатие пара, а следовательно повышение давления и температуры пара до 100 градусов. Цель достигнута - из низкопотенциального тепла в 0-5°С, мы получили температуру в 100 °С.

После этого, внутренний контур, с помощью конденсатора, обменивается теплом с системой труб отопления дома, бойлерными и другими элементами системы обеспечения дома теплом. Так, текущая по батареям вода нагревается до 80 градусов.

После того как пар отдал тепло, он проходит через расширительный кран, в котором снижают давление газа до первоначальных показателей. Параллельно снижается и температура. Круг замыкается, и фреон снова оказывается на пути в испаритель.

Для функционирования всей этой системы нужна электроэнергия, но только для работы компрессора. Так, при использовании 1 кВт электроэнергии на выходе образуется 3-4 кВт тепловой энергии.

Виды тепловых насосов

Насосы с открытым контуром используют в качестве источника тепла воду поземных источников - она закачивается по пробуренной скважине в тепловой насос, где происходит теплообмен, и охлажденная выводится обратно в подводный горизонт через другую скважину. Такой тип насосов выгоден тем, что подземная вода сохраняет стабильную и достаточно высокую температуру круглый год.